DE4020806A1

DE4020806A1 - Verfahren zur verminderung der aufladung einer von einem teilchenstrahl abgetasteten probe

Info

Publication number: DE4020806A1
Application number: DE19904020806
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr Feuerbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1991-01-31

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Aufladung einer von einem Teilchenstrahl abgetasteten Probe.

In allen Bereichen der Entwicklung und Fertigung mikro- und optoelektronischer Bauelemente besteht ein steigender Bedarf an Rasterelektronenmikroskopen, um Submikrometerstrukturen visuell beurteilen, Abweichungen von Sollmustern feststellen und topographische Parameter wie Höhen, Breiten oder Neigungs winkel erfassen und auswerten zu können. Konventionelle Raster elektronenmikroskope erreichen die geforderte Ortsauflösung von Bruchteilen eines Mikrometers bis hin zu wenigen Nanometern allerdings erst bei hohen Beschleunigungsspannungen oberhalb von etwa 20 kV, wo Resiststrukturen und integrierte Schaltungen durch die hochenergetischen Elektronen geschädigt und nicht leitende Proben aufgeladen werden.

Zur Erzeugung einer ausreichend hohen Oberflächen- bzw. Volumenleitfähigkeit werden nichtleitende Proben üblicherweise mit einer dünnen Metallschicht bedampft. Eine Metallisierung der Oberfläche kommt allerdings nicht in Betracht, wenn man die Probe nach ihrer Untersuchung im Rasterelektronenmikroskop wiederverwenden oder einer Weiterbehandlung unterziehen will.

Um auch nicht bedampfbare Proben aufladungsneutral abbilden und untersuchen zu können, wird versucht, die Energie der Elektronen der sogenannten Neutralpunktenergie des Proben materials anzugleichen. Da diese im allgemeinen nicht genau bekannt ist, kommt es immer wieder zu lokalen Aufladungen, die den Elektronenstrahl beeinflussen und die Ortsauflösung vermindern.

Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 27, Nr. 11 (1985), Seiten 6388 bis 6389 ist ein Verfahren zur Entladung eines in einem Elektronenstrahlschreiber strukturierten Halbleiterwafers bekannt. Die Ableitung der durch den abtastenden Elektronen strahl aufgebrachten Ladung erfolgt hierbei über eine photo leitende Schicht, die man durch Bestrahlung des Wafers mit UV- Licht erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das auch bei hohen Elektronenenergien eine weitgehend aufladungsneutrale Unter suchung nichtleitender Proben ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der im folgenden anhand der Zeichnung erläuterten Erfindung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 die Energieabhängigkeit der Ausbeute emittierter Elektronen,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine Probe läßt sich nur dann aufladungsneutral mit einem Elektronenstrahl abtasten, wenn der durch Gleichung 1) definierte Probenstrom der Bedingung i_PR = 0 genügt.

i_PR = i_PE - (i_SE+i_RE) = (1-σ(E_PE)) i_PE (1)
i_PE: Primärelektronenstrom,
i_SE: Sekundärelektronenstrom,
i_RE: Strom der rückgestreuten Primärelektronen,
σ: Elektronenausbeute,
E_PE: Energie der Primärelektronen.

Da man die Energieabhängigkeit der Elektronenausbeute σ i. a. nicht genau kennt und die Topographie des jeweils abge tasteten Oberflächenbereichs die materialabhängige Größe σ in nicht vorhersagbarer Weise beeinflußt, läßt sich σ (E_PE) = 1 und damit i_PR = 0 durch geeignete Wahl der Elektronenenergie E_PE jeweils nur für Teilbereiche der Probe erfüllen.

Wie die Fig. 1 schematisch zeigt, steigt die Elektronenausbeute σ: = (i_SE + i_RE)/i_PE üblicherweise mit der Elektronenenergie E_PE an, durchläuft ein Maximum, um bei höheren Energien langsam wieder abzufallen. Im allgemeinen existieren zwei in Fig. 1 mit E₁ und E₂ bezeichnete Energiewerte, für die σ (E₁) = σ (E₂) = 1 wird. Ein auf diese Energien be schleunigter Elektronenstrahl ändert den Ladungszustand der Probe nicht, da jedes auftreffende Primärelektron im zeit lichen Mittel gerade wieder ein Elektron auslöst. Man be zeichnet E₁ und E₁ deshalb auch als Neutralpunktenergien, wo bei E₁ typischerweise im Energiebereich unterhalb von etwa 0,5 keV und E₂ mit wenigen Ausnahmen im Energiebereich zwischen etwa 0,5 und 4 keV liegt. Bestrahlt man die Probe mit Elektronen, deren Energie nicht mit einer der Neutralpunkt energien E₁ bzw. E₂ übereinstimmt, so laden sich nichtleitende Bereiche allmählich positiv (E₁ < E_PE < E₂, σ < 1) oder negativ (E_PE < E₂, E_PE < E₁, σ < 1) solange auf, bis sich ein Gleichge wichtszustand einstellt. Dieser Gleichgewichtszustand ist für Primärelektronen der Energie E_PE < E₂ erreicht, wenn diese in dem sich oberhalb der Probe aufbauenden elektrischen Feld so weit abgebremst werden, daß deren Auftreffenergie mit der für das jeweilige Oberflächenmaterial charakteristischen Neutral punktenergie E₂ übereinstimmt. Elektronen der Energie E₁ < E_PE < E₂ laden die Probe nur bis auf wenige Volt positiv auf, da die kinetische Energie der emittierten niederenergetischen Sekundär elektronen dann nicht mehr ausreicht, die Probe zu verlassen.

Die Elektronenenergie, die Oberflächenbeschaffenheit und die Materialzusammensetzung bestimmen somit den sich aufbauenden Ladungszustand in den vom Elektronenstrahl abgetasteten Proben bereichen. Da die Emission der Sekundärelektronen durch vor handene Probenpotentiale sehr stark beeinflußt wird, kann man den Ladungszustand des jeweils abgetasteten Oberflächenelements mit Hilfe eines Detektors bestimmen. Meßgröße ist hierbei der durch den sog. Potentialkontrast modulierte Sekundärelektronen strom.

Um nichtleitende Proben unabhängig von der gewählten Elektronenenergie E_PE weitgehend aufladungsneutral in einem Rasterelektronenmikroskop oder Elektronenstrahlmeßgerät ab tasten und untersuchen zu können, wird vorgeschlagen, den Ladungszustand des jeweils abgetasteten Oberflächenelements durch Messung des Sekundärelektronenstroms zu bestimmen und die Anzahl der auf das Oberflächenelement auftreffenden Primär elektronen, d. h. die Primärelektronendosis D (= Ladung pro Ab tastpunkt) gemäß der Beziehung D = f (i_SE) zu modulieren, wobei f insbesondere eine lineare Abhängigkeit der Dosis D vom Sekundärelektronenstrom i_SE beschreibt. Zur Modulation der Dosis D kann man insbesondere die Auslenkung A (x, y) des Elektronenstrahls auf der Probe gemäß A (x, y) = f (i_SE) steuern, um nichtleitende Gebiete schneller abzutasten als ge erdete Bereiche. Es ist auch möglich, die Intensität des Primärelektronenstrahls mit Hilfe des Sekundärelektronenstroms i_SE derart zu modulieren, daß nichtleitende Oberflächenbe reiche mit einem Strahl geringerer Intensität abgetastet werden.

Die in Fig. 2 dargestelte Anordnung zur Durchführung des Ver fahrens umfaßt einen Rechner COM, ein Rasterelektronenmikroskop, ein Detektorsystem DT und eine Meßelektronik ME, der eine Auf zeichnungseinheit, insbesondere ein Sichtgerät SG, nachge schaltet ist. Die Säule des Rasterelektronenmikroskops be steht aus einem eine Kathode K, eine Steuerelektrode W und eine Anode A aufweisenden Strahlerzeuger Q, einer Kondensorein heit KL und einer Objektivlinse OL, die das von der Kondensor einheit KL erzeugte Zwischenbild ZB der virtuellen Elektronen quelle verkleinert auf die in einer evakuierten Kammer ange ordnete Probe PR abbildet. Ferner enthält die elektronenoptische Säule noch ein von einem Impulsgenerator BBG angesteuertes Strahlaustastsystem BBS, einen nicht dargestellten Stigmator zur Korrektur des Astigmatismus sowie eine Ablenkeinheit AS, der ein die Ablenkspannung U_x und U_y erzeugender Raster generator RG zugeordnet ist. Das seitlich oberhalb der Probe PR angeordnete und aus eine Absaugelektrode, einem Szintillator einem Lichtleiter und einem Photomultiplier PM bestehende Detektorsystem DT dient dem Nachweis der auf der Probe PR aus gelösten Sekundärelektronen SE. Aufgrund des sogenannten Potentialkontrasts ist die im Detektorsystem DT gemessene Sekundärelektronenintensität bzw. der Sekundärelektronenstrom i_SE und damit auch das Detektorausgangssignal vom Ladungszu stand des jeweils abgetasteten Oberflächenelements abhängig. Die dem Detektorsystem DT nachgeschaltete Meßelektronik ME ent hält insbesondere einen Vorverstärker und einen aus Scanning, Vol. 5 (1983), Seiten 14 bis 24 oder Microcircuit Engineering (1981), Seiten 507 bis 512 bekannte Boxcareinheit B, deren Ausgangssignal die Intensität des Schreibstrahls des Sicht gerätes SG steuert.

Zur Modulation der Primärelektronendosis gemäß der Beziehung D = f (i_SE) wird das Ausgangssingal des Photomultipliers PM dem Rechner COM zugeführt, wobei dieser den digitalen Raster generator RG oder die Steuerelektrode W des Strahlerzeugers Q entsprechend ansteuert. Dies hat zur Folge, das nichtleitende Probenbereiche mit höherer Ablenkgeschwindigkeit bzw. niedrigerer Strahlintensität abgetastet werden als leitende Probenbereiche.

Claims

1. Verfahren zur Verminderung der Aufladung einer von einem Teilchenstrahl abgetasteten Probe, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustand des jeweils abgetasteten Oberflächen elements bestimmt wird und daß die Anzahl der auf das Ober flächenelement auftreffenden Teilchen in Abhängigkeit vom detektierten Ladungszustand moduliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustand durch Messung des Sekundärelektronen stroms (i_SE) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärelektronenstrom (i_SE) zur Modulation der Ab lenkgeschwindigkeit des Teilchenstrahls herangezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärelektronenstrom (i_SE) zur Modulation der In tensität des Teilchenstrahls herangezogen wird.